③ Die am häufigsten verwendetekugelsicherKeramikmaterial
Seit dem 21. Jahrhundert haben sich kugelsichere Keramiken rasant weiterentwickelt, und es gibt viele Arten, darunter Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Borcarbid, Siliciumnitrid, Titanborid usw., wobei Aluminiumoxidkeramik (Al₂O₃), Siliciumcarbidkeramik (SiC) und Borcarbidkeramik (B4C) am weitesten verbreitet sind.
Aluminiumoxidkeramiken weisen die höchste Dichte auf, jedoch ist ihre Härte relativ gering, die Verarbeitungsschwelle ist niedrig und der Preis ist niedrig. Je nach Reinheit wird Aluminiumoxidkeramik in 85/90/95/99 unterteilt, wobei die entsprechende Härte und der Preis entsprechend steigen.
| Materialien | Dichte /(kg*m²) | Elastizitätsmodul /(GN*m²) | HV | Entspricht dem Preis von Aluminiumoxid |
| Borcarbid | 2500 | 400 | 30000 | X 10 |
| Aluminiumoxid | 3800 | 340 | 15000 | 1 |
| Titandiborid | 4500 | 570 | 33000 | X10 |
| Siliciumcarbid | 3200 | 370 | 27000 | X5 |
| Oxidationsplattierung | 2800 | 415 | 12000 | X10 |
| BC/SiC | 2600 | 340 | 27500 | X7 |
| Glaskeramik | 2500 | 100 | 6000 | 1 |
| Siliziumnitrid | 3200 | 310 | 17000 | X5 |
Vergleich der Eigenschaften verschiedener kugelsicherer Keramiken
Siliziumkarbidkeramik hat eine relativ geringe Dichte, eine hohe Härte und ist eine kostengünstige Strukturkeramik. Daher ist sie auch die am weitesten verbreitete kugelsichere Keramik in China.
Borcarbidkeramiken weisen unter diesen Keramiken die niedrigste Dichte und die höchste Härte auf, stellen aber gleichzeitig sehr hohe Anforderungen an die Verarbeitungstechnologie, da sie ein Sintern bei hohen Temperaturen und hohem Druck erfordern, weshalb die Kosten unter diesen drei Keramiken am höchsten sind.
Im Vergleich zu den drei gängigeren kugelsicheren Keramikmaterialien sind Aluminiumoxid-Keramiken zwar am kostengünstigsten, ihre Schutzwirkung ist jedoch deutlich geringer als die von Siliciumcarbid und Borcarbid. Daher konzentrieren sich die inländischen Hersteller derzeit auf Siliciumcarbid- und Borcarbid-Keramiken, während Aluminiumoxid-Keramiken selten produziert werden. Aus einkristallinem Aluminiumoxid lassen sich jedoch transparente Keramiken herstellen, die als lichtdurchlässige Materialien breite Anwendung finden und beispielsweise in militärischer Ausrüstung wie kugelsicheren Masken für Soldaten, Raketenortungsfenstern, Fahrzeugbeobachtungsfenstern und U-Boot-Periskopen eingesetzt werden.
④ Zwei der beliebtesten kugelsicheren Keramikmaterialien
Siliziumkarbid-kugelsichere Keramik
Die kovalente Bindung von Siliciumcarbid ist sehr stark und behält auch bei hohen Temperaturen ihre Festigkeit. Diese Struktur verleiht Siliciumcarbidkeramik hervorragende Festigkeit, hohe Härte, Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit, gute Temperaturwechselbeständigkeit und weitere positive Eigenschaften. Gleichzeitig ist Siliciumcarbidkeramik preisgünstig und wirtschaftlich und zählt zu den vielversprechendsten Hochleistungsmaterialien für Panzerungen.
Siliziumkarbidkeramiken bieten ein breites Entwicklungspotenzial im Bereich des Panzerschutzes, und ihre Anwendungen im Bereich der persönlichen Ausrüstung und Spezialfahrzeuge sind vielfältig. Bei der Verwendung als Schutzpanzerungsmaterial werden unter Berücksichtigung der Kosten, spezieller Anwendungsfälle und anderer Faktoren üblicherweise kleine Keramikplatten mit einer Verbundrückwand zu einer Keramik-Verbund-Zielplatte verbunden. Dies verhindert ein Versagen der Keramik aufgrund von Zugspannungen und gewährleistet, dass ein Projektildurchschlag nur ein einzelnes Stück zersplittert, ohne die gesamte Panzerung zu beschädigen.
kugelsichere Keramik aus Borcarbid
Borcarbid ist nach Diamant und kubischem Bornitrid das härteste bekannte Material mit einer Härte von bis zu 3000 kg/mm². Seine Dichte ist mit nur 2,52 g/cm³ gering und beträgt etwa ein Drittel der Dichte von Stahl. Es besitzt einen hohen Elastizitätsmodul von 450 GPa und einen hohen Schmelzpunkt von ca. 2447 °C. Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist niedrig und die Wärmeleitfähigkeit hoch. Darüber hinaus zeichnet sich Borcarbid durch gute chemische Stabilität und Beständigkeit gegenüber Säuren und Laugen aus. Bei Raumtemperatur reagiert es nicht mit Säuren und Basen sowie den meisten anorganischen Flüssigkeiten. Lediglich in Mischungen aus Fluorwasserstoffsäure und Schwefelsäure sowie Fluorwasserstoffsäure und Salpetersäure tritt langsame Korrosion auf. Die meisten geschmolzenen Metalle reagieren nicht mit Borcarbid. Borcarbid besitzt zudem ein hohes Neutronenabsorptionsvermögen, das bei anderen keramischen Werkstoffen nicht vorhanden ist. B4C weist die geringste Dichte mehrerer gängiger Panzerkeramiken auf und besitzt gleichzeitig einen hohen Elastizitätsmodul, wodurch es sich gut für den Einsatz in militärischen Panzerungen und der Raumfahrt eignet. Das Hauptproblem von B4C besteht in seinem hohen Preis (etwa zehnmal so hoch wie der von Aluminiumoxid) und seiner Sprödigkeit, was seinen breiten Einsatz als einphasige Schutzpanzerung einschränkt.
⑤Herstellungsverfahren für kugelsichere Keramik.
| Vorbereitungstechnologie | Prozessmerkmale | |
| Vorteil | ||
| Heißpresssintern | Durch niedrige Sintertemperatur und kurze Sinterzeit lassen sich Keramiken mit feinem Korn, hoher relativer Dichte und guten mechanischen Eigenschaften erzielen. | |
| Sinterung unter extrem hohem Druck | Schnelles Sintern bei niedrigen Temperaturen erreichen, Verdichtungsrate erhöhen. | |
| Heißisostatisches Presssintern | Hochleistungsfähige Keramiken mit komplexer Form können durch niedrige Sintertemperatur, kurze Abrollzeit und gleichmäßige Schrumpfung des Rohlings hergestellt werden. | |
| Mikrowellensintern | Schnelle Verdichtung, gleichmäßige Erwärmung ohne Temperaturgradienten, Verbesserung der Materialstruktur, Verbesserung der Materialeigenschaften, hohe Effizienz und Energieeinsparung. | |
| Entladungsplasmasintern | Die Sinterzeit ist kurz, die Sintertemperatur ist niedrig, die keramischen Eigenschaften sind gut und die Dichte des Hochenergie-Sintergradientenmaterials ist hoch. | |
| Plasmastrahlschmelzverfahren | Das pulverförmige Rohmaterial ist vollständig aufgeschmolzen, unterliegt keiner Einschränkung durch die Partikelgröße des Pulvers, benötigt kein niedrigschmelzendes Flussmittel und das Produkt weist eine dichte Struktur auf. | |
| Reaktionssintern | Fertigungstechnologie nahe der Endgröße, einfacher Prozess, niedrige Kosten, ermöglicht die Herstellung von großen, komplex geformten Teilen. | |
| Druckloses Sintern | Das Produkt zeichnet sich durch hervorragende Hochtemperatureigenschaften, einen einfachen Sinterprozess und niedrige Kosten aus. Es stehen zahlreiche geeignete Formgebungsverfahren zur Verfügung, die sowohl für komplexe und dicke Großbauteile als auch für die industrielle Großserienfertigung geeignet sind. | |
| Flüssigphasensintern | Niedrige Sintertemperatur, geringe Porosität, feines Korn, hohe Dichte, hohe Festigkeit | |
| Vorbereitungstechnologie | Prozessmerkmale | |
| Nachteil | ||
| Heißpresssintern | Der Prozess ist komplexer, die Anforderungen an Formmaterialien und Ausrüstung sind hoch, die Produktionseffizienz ist gering, die Produktionskosten sind hoch, und die Form kann nur bei einfachen Produkten hergestellt werden. | |
| Sinterung unter extrem hohem Druck | Es können lediglich Produkte mit einfachen Formen hergestellt werden, die in geringer Stückzahl produziert werden, hohe Investitionskosten für die Ausrüstung erfordern, aufwändige Sinterprozesse darstellen und einen hohen Energieverbrauch aufweisen. Derzeit befindet es sich noch im Forschungsstadium. | |
| Heißisostatisches Presssintern | Die Ausrüstungskosten sind hoch und die Größe des zu bearbeitenden Werkstücks ist begrenzt. | |
| Mikrowellensintern | Die theoretische Technologie bedarf der Verbesserung, es mangelt an Ausrüstung, und sie ist noch nicht weit verbreitet. | |
| Entladungsplasmasintern | Die grundlegende Theorie muss verbessert werden, der Prozess ist komplex und die Kosten sind hoch, weshalb er noch nicht industrialisiert wurde. | |
| Plasmastrahlschmelzverfahren | Die hohen Anforderungen an die Ausrüstung konnten für eine breite Anwendung nicht erfüllt werden. | |
| Reaktionssintern | Restsilizium verringert die mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen, die Korrosionsbeständigkeit und die Oxidationsbeständigkeit des Materials. | |
| Druckloses Sintern | Die Sintertemperatur ist hoch, es besteht eine gewisse Porosität, die Festigkeit ist relativ gering und es kommt zu einer Volumenschrumpfung von etwa 15%. | |
| Flüssigphasensintern | Es neigt zu Verformungen, starker Schrumpfung und die Maßgenauigkeit ist schwer zu kontrollieren. | |
| Keramik |
| AL2O3.B4 C .SiC |
| AL2O3 |
| AL2O3.B4 C .SiC |
| AL2O3 |
| AL2O3.B4 C .SiC |
| AL2O3 |
| B4 C .SiC |
| AL2O3.B4 C .SiC |
| .SiC |
Upgrade auf kugelsichere Keramik
Obwohl Siliziumkarbid und Borkarbid ein hohes Potenzial für kugelsichere Materialien besitzen, dürfen die Probleme der Bruchzähigkeit und der geringen Sprödigkeit einphasiger Keramiken nicht außer Acht gelassen werden. Die Entwicklung moderner Wissenschaft und Technik stellt hohe Anforderungen an die Funktionalität und Wirtschaftlichkeit kugelsicherer Keramik: Multifunktionalität, hohe Leistungsfähigkeit, geringes Gewicht, niedrige Kosten und Sicherheit. Daher streben Experten und Wissenschaftler in den letzten Jahren danach, durch gezielte Anpassungen – wie z. B. Mehrkomponenten-Keramikverbundwerkstoffe, funktionale Gradientenkeramiken und Schichtstrukturen – die Festigkeit, das Gewicht und die Wirtschaftlichkeit von Keramik zu verbessern. Solche Schutzwesten wären leichter als heutige Modelle und würden die Mobilität von Kampfeinheiten deutlich steigern.
Funktional abgestufte Keramiken weisen durch mikrostrukturelle Gestaltung regelmäßige Änderungen der Materialeigenschaften auf. Beispielsweise verändern sich die Eigenschaften von Titanborid und Titanmetall sowie Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Borcarbid, Siliciumnitrid und Aluminiummetall sowie anderen Metall-Keramik-Verbundsystemen entlang der Schichtdicke, d. h. es lassen sich Keramiken mit hoher Härte herstellen, die in hochzähe, kugelsichere Keramiken übergehen.
Nanometer-Mehrphasenkeramiken bestehen aus submikronen oder nanometergroßen Dispersionspartikeln, die der Matrixkeramik beigemischt werden. Beispiele hierfür sind SiC-Si₃N₄-Al₂O₃ und B₄C-SiC. Dadurch lassen sich Härte, Zähigkeit und Festigkeit der Keramik verbessern. Berichten zufolge erforschen westliche Länder das Sintern von Nanopulvern zur Herstellung von Keramiken mit einer Korngröße im Bereich von wenigen zehn Nanometern, um Materialfestigkeit und Zähigkeit zu optimieren. Insbesondere bei kugelsicherer Keramik wird in diesem Bereich ein bedeutender Durchbruch erwartet.
Zusammenfassend
Ob einphasige oder mehrphasige Keramik, die besten kugelsicheren Keramikwerkstoffe sind untrennbar mit Siliciumcarbid und Borcarbid verbunden. Insbesondere bei Borcarbid-Werkstoffen treten die hervorragenden Eigenschaften von Borcarbid-Keramiken mit der Weiterentwicklung der Sintertechnologie immer deutlicher hervor, und ihre Anwendung im Bereich der Kugelsicherheit wird sich weiter ausdehnen.
Veröffentlichungsdatum: 14. Dezember 2023